黑河市愛輝區(qū)轉(zhuǎn)心湖水電站攔河壩方案比選

呂仁國，孫蘭鳳，姚景光

(1.黑河市愛輝區(qū)水務(wù)局，黑龍江黑河164300;2.黑河市水利勘測設(shè)計院，黑龍江黑河164300)

1 工程概況

轉(zhuǎn)心湖水電站壩址位于石金河干流中游，距黑河市愛輝區(qū)山神府村南3 km，距黑河市區(qū)25 km。壩址以上流域面積421 km2，占石金河流域面積的54.5%。轉(zhuǎn)心湖水電站是一座以發(fā)電、工業(yè)供水為主，兼顧養(yǎng)魚等綜合利用要求的中型工程。

轉(zhuǎn)心湖水電站工程由攔河壩、溢洪道、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠組成。

攔河壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩軸線呈折線型，在樁號0+154處呈38°折角。開敞式溢洪道布置在攔河壩左岸大壩樁號0+070處，軸線與壩軸線呈正交，沿軸線總長84.00 m。引水系統(tǒng)進水口布置在右壩頭上游220 m處。引水隧洞總長4 812 m，洞線走向由西到東，有3個折點，調(diào)壓井設(shè)在樁號4+838，后接壓力管道及電站廠房。

工程總投資11 372.94萬元，其中工程部分8 379.14萬元，移民及環(huán)境部分2 493.80萬元，送出工程500萬元。

2 攔河壩工程設(shè)計

2.1 壩址比選

根據(jù)石金河流域水能開發(fā)規(guī)劃及轉(zhuǎn)心湖水電站工程規(guī)劃選點、現(xiàn)場勘察及地質(zhì)勘探;在規(guī)劃確定的同一河段上，從地形、地質(zhì)條件分析，尋找適合建壩的壩址;按照在規(guī)模、效益、任務(wù)等同的條件下，本著工程布局合理、技術(shù)措施簡單、淹沒損失小，工程造價低，生態(tài)環(huán)保效益大的原則選壩址。

轉(zhuǎn)心湖水電站所在河段具有建壩條件的壩址有二處，即上壩址和下壩址，均位于石金河干流中游。上壩址位于山神府村南3 km，下壩址在上壩址下游直線距離約3 km處。本次從地形、地質(zhì)、工程布置、施工條件、淹沒等方面進行綜合分析比較，選擇上壩址為所選壩址。

2.2 壩型及防滲型式比選

當(dāng)?shù)厥县S富，為了充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧虾凸?jié)省投資，初步擬定瀝青混凝土心墻堆石壩和漿砌石重力壩兩種壩型進行比較。

2.2.1 瀝青混凝土心墻堆石壩

該堆石壩，壩頂長366 m，頂寬6.0 m，上下游壩坡均為1∶1.5，上游壩坡設(shè)干砌石護坡。壩頂設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，墻高1.0 m，墻底與瀝青混凝土心墻牢固相連。心墻頂寬0.18 cm，心墻兩側(cè)預(yù)制混凝土塊寬均為0.12 cm，心墻底座在混凝土齒槽上，槽底位于弱風(fēng)化巖上限下0.5 m，其下為帷幕灌漿段。心墻兩側(cè)設(shè)碎石過渡層，過渡層后為堆石體，壩基進行帷幕灌漿處理。

2.2.2 漿砌石重力壩

漿砌石重力壩壩頂長366 m，頂寬6.0 m，上游壩坡1∶0.3，下游壩坡1∶0.8。迎水側(cè)采用1.0～1.5 m厚變斷面現(xiàn)澆混凝土做防滲體，底部采用1.00 m厚現(xiàn)澆混凝土墊層。壩體為漿砌石結(jié)構(gòu)，壩頂設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，墻高1.0 m，壩基進行帷幕灌漿處理。

經(jīng)計算瀝青混凝土心墻堆石壩投資為1 773.48萬元，漿砌石重力壩投資為4 162.97萬元。

從經(jīng)濟比較來看，瀝青混凝土心墻堆石壩投資較少，從施工角度，該地區(qū)低溫期長，高溫澆筑瀝青混凝土墻，冬季不影響施工，該壩適于做瀝青混凝土墻堆石壩，而漿砌石壩施工受季節(jié)限制，因此初選瀝青混凝土心墻堆石壩。

2.3 攔河壩設(shè)計

2.3.1 工程布置

攔河壩壩軸線呈折線型，在樁號0+154處呈38°折角，壩長366 m(自樁號0+000～0+366)，壩型采用瀝青混凝土堆石壩，壩頂寬6.0 m，最大壩高23.40 m，上、下游邊坡均為1∶1.5。防滲體采用瀝青混凝土心墻，心墻下接混凝土齒槽，壩基做帷幕灌漿處理。

2.3.2 壩頂高程確定

壩頂高程分別按設(shè)計和校核洪水位加壩頂超高計算，并選其最大值。

風(fēng)向、風(fēng)速資料:根據(jù)黑河市氣象站的風(fēng)速資料推算出校核情況多年平均年最大風(fēng)速，設(shè)計情況取其1.5倍，風(fēng)向為SW。

水深及吹程:設(shè)計、校核情況對應(yīng)的平均水深，按水域平均深度計算，吹程從1/5 000庫區(qū)地形圖量得。

壩高計算:按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274－2001)的規(guī)定，壩頂在水庫靜水位以上的超高值按下式計算:

式中:Y為壩頂超高，m;R為最大波浪在壩坡上的爬高，m;e為最大風(fēng)壅水面高度，m;A為安全加高，按3級土壩取值。

風(fēng)浪要素計算按莆田實驗站公式計算:

設(shè)計爬高值按工程等級確定，對3級壩取累積頻率P= 1%的爬高值R1%。

計算結(jié)果見表1。

表1 壩頂高程計算成果表 m

防浪墻頂高程取大值，即280.75 m，防浪墻高1.00 m，即壩頂高程為279.75 m。

2.3.3 斷面設(shè)計

壩型采用瀝青混凝土堆石壩，壩頂寬6.0 m，最大壩高23.40 m，上、下游邊坡均為1∶1.5。防滲體采用瀝青混凝土心墻，心墻下接混凝土齒槽，，壩基做帷幕灌漿處理。瀝青心墻為直立式結(jié)構(gòu)，上部厚18 cm，死水位268.00 m以下厚度變?yōu)?0 cm，心墻上下游兩側(cè)設(shè)12 cm厚混凝土預(yù)制塊副墻，混凝土預(yù)制塊與堆石體之間設(shè)置寬為3 m的碎石過渡區(qū)，心墻頂高程278.25 m。迎水側(cè)采用30 cm厚干砌石護坡，壩頂采用20 cm厚現(xiàn)澆混凝土路面。堆石壩的防滲體與溢洪道左右兩側(cè)邊墩連接采用加厚瀝青混凝土墻裹住邊墩。

2.3.4 滲流穩(wěn)定分析計算

2.3.4.1 滲流計算

根據(jù)壩型及基礎(chǔ)處理方案，滲流采用有限深透水地基下設(shè)帷幕灌漿滲流公式進行計算，帷幕灌漿的防滲作用可以用相當(dāng)于不透水底板的等效長度代替，單位長壩身及壩基的滲流量q及墻后滲流水深按校核及設(shè)計兩種情況由以下公式聯(lián)立求解:

式中:k1為心墻滲透系數(shù)，m/d;k0為壩基滲透系數(shù)，m/d;k2為堆石體滲透系數(shù)，m/d;H1為上游水深，m;H2為下游水深，m;ζy為內(nèi)部垂直段阻力系數(shù);σ為阻力系數(shù)比值，查曲線確定;Les為地下輪廓總計算長度，m;T為透水地基深度，m;S為帷幕灌漿深度(包括截水槽深度);B為心墻底部寬度，m;δ0為心墻頂寬，m;δ1為心墻底寬，m;δ為帷幕灌漿的厚度，m。

2.3.4.2 出逸比降計算

式中:J為出逸比降;a2為出逸點高度，m。滲流穩(wěn)定分析成果見表2。

表2 滲流穩(wěn)定分析成果表

滲流總量:

情況一:Q總=3.54×104m3/d;

情況二:Q總=3.02×104m3/d

由計算可知，滲流總量占多年平均徑流量的0.15%，壩體、壩基進行防滲處理后滲流量很小，出逸點與下游水位基本相同，根據(jù)《地質(zhì)報告》，壩基土級配不良礫，允許比降取值≤0.15，所以壩基滿足滲透穩(wěn)定要求。

2.3.5 壩體穩(wěn)定計算

按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274－2001)規(guī)定計算壩體穩(wěn)定。

瀝青混凝土心墻堆石壩主要核算穩(wěn)定滲流期校核水位、設(shè)計水位和距壩底1/3壩高水位的上下游坡穩(wěn)定分析。采用畢肖普法，利用《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析》(STAB－2008)程序計算。

對0+310斷面進行計算，計算中土體采用的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)地質(zhì)勘察報告中土工試驗統(tǒng)計表及相似工程進行選取，見表3。土壩穩(wěn)定分析計算成果見表4。

表3 物理力學(xué)指標(biāo)

表4 土壩穩(wěn)定分析計算成果表

堆石壩為3級建筑物，允許最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù):

正常運用:［Kmin］=1.30

非常運用:［Kmin］=1.20

計算結(jié)果表明，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，上、下游壩坡穩(wěn)定。

［1］ 黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.SL274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］ 中國長江三峽工程開發(fā)總公司，中國葛州壩水利水電工程集團公司.DLT5144—2001水工混凝土施工規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2001.